专利名称：一维纳米结构极化增强放电电极的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种放电电极，尤其涉及一种电场极化增强的放电电极。
背景技术：
等离子体是由带电粒子、基态中性粒子、亚稳态中性粒子和激发态中性粒子组成的，其物质输运过程、能量输运过程、电磁辐射过程和带电粒子动量转移过程在许多领域有重要应用，例如等离子体材料加工、激光光源、等离子体混合、电子-离子源、等离子体控制等。利用气体放电产生等离子体是一种最为常见的等离子体产生方法，具有装置简单、等离子体参数可控性较高等优势。气体放电一般是指在电场作用下使气体电离，形成能导电的电离气体，即等离子体。常规的做法是在一对电极(阴极和阳极)之间产生高场强的电场以使电极之间的气体被电离，形成等离子体。常用的等离子体生成方法可以分为两大类，即直流放电和交流放电。其中，直流放电包括直流辉光放电、空心阴阴放电、直流脉冲放电、电弧放电和磁控管放电，交流放电包括电容耦合放电、感应耦合放电、介质阻挡放电、微波放电和表面波放电。而无论采用哪种放电模式产生等离子体，设计合适的电极都是重要的。随着纳米技术的发展，实验研究发现，可以利用一维纳米结构制作电极或者修饰电极以用于电离气体(或液体)，产生等离子体。这一方法能够降低气体放电的操作电压，从而使等离子体供电装置能被继续简化。目前这一技术被广泛用于电离传感器这一电子器件的研发领域。其中的一维纳米结构是指具有较大长径比的类似棒状、带状、管状和/或线状的纳米结构，一般其横向线径小于lOOnm。常用的一维纳米结构例如碳纳米管、氧化锌纳米线、氧化锡纳米条带等。我们发现在这一技术的公开文献中，主要是将一维纳米结构引入到空洞电极的电极空腔结构中，或者是将一维纳米结构设置在阴极和阳极的表面。例如将碳纳米管引入空洞阴极，形成由碳纳米管这种很有代表性的一维纳米材料作为空洞阴极的空洞阴极放电等离子体器件，这种器件可以提高器件作为等离子体源的性能，例如可以降低工作电压、提高光辐射产额。再例如将一维纳米结构被设置在阴、阳金属电极的表面，其发明人认为这一设置具有降低场致电离工作电压的作用。但是，我们发现在上述这些设置中，一维纳米结构是作为电极的一部分而直接地与等离子体发生相互作用的，这样，一维纳米结构在工作中将很容易受到粒子轰击、焦耳热和电磁辐射等效应的影响而发生变质，甚至导致其损伤失效。因此，本领域的技术人员致力于开发一种电场极化增强的放电电极，在使用一维纳米结构增强电场极化的同时减少以至避免产生的等离子体对一维纳米结构的损伤。
发明内容
有鉴于现有技术的上述缺陷，本发明所要解决的技术问题是提供一种电场极化增强的放电电极，其使用一维纳米结构构成的增强电场极化的结构，且其工作时能减少以至避免其产生的等离子体对一维纳米结构的损伤。为实现上述目的，本发明提供了一种电场极化增强的放电电极，包括阴极和阳极，其特征在于，所述阴极和所述阳极之间设置有电场极化增强结构，所述电场极化增强结构由一维纳米结构构成，所述电场极化增强结构与所述阴极和所述阳极皆不接触。进一步地，所述电场极化增强结构是单个的所述一维纳米结构或多个所述一维纳米结构的排列。可选地,所述一维纳米结构是半导体材料的纳米带、纳米线、纳米棒、纳米针或纳米管。进一步地，所述一维纳米结构的表面覆盖有导体材料的薄膜、纳米颗粒或比所述一维纳米结构小的一维纳米结构；或者所述一维纳米结构的表面覆盖有绝缘材料的薄膜、纳米颗粒或比所述一维纳米结构小的一维纳米结构；或者所述一维纳米结构的表面覆盖有绝缘材料的薄膜，所述绝缘材料的薄膜的表面覆盖有导电材料的薄膜、纳米颗粒或比所述一维纳米结构小的一维纳米结构；或者所述一维纳米结构的表面覆盖有半导体材料的薄膜或纳米颗粒，所述半导体材料的薄膜或纳米颗粒的表面覆盖有半导体材料的比所述一维纳米结构小的一维纳米结构；或者所述一维纳米结构的表面覆盖有导体材料的薄膜，所述导体材料的薄膜的表面覆盖有绝缘材料的薄膜。可选地,所述一维纳米结构是导体材料的纳米带、纳米线、纳米棒、纳米针或纳米管。进一步地，所述一维纳米结构的一个端部的表面覆盖有半导体材料的薄膜，所述半导体材料的薄膜的表面覆盖有半导体材料的薄膜；或者所述一维纳米结构的一个端部的表面覆盖有绝缘材料的薄膜。可选地,所述一维纳米结构是绝缘材料的纳米带、纳米线、纳米棒、纳米针或纳米管，所述一维纳米结构的表面覆盖有导体或半导体材料的薄膜、纳米颗粒或比所述一维纳米结构小的一维纳米结构。进一步地，所述阴极和所述阳极是单个电极或多个电极的组成的电极阵列。进一步地，所述阳极的表面具有第一一维纳米结构，所述第一一维纳米结构与所述一维纳米结构相同或不同。进一步地，所述阴极的表面具有第二一维纳米结构，所述第二一维纳米结构与所述一维纳米结构相同或不同。进一步地，所述阴极、所述阳极和所述电场极化增强结构设置在支撑结构上，所述阳极到所述电场极化增强结构之间的距离以及所述阴极到所述电场极化增强结构之间的
距离皆可调。在本发明的较佳实施方式中，提供了一种包括阴极、阳极和两者之间的电场极化增强结构的电场极化增强的放电电极。其中电场极化增强结构由一维纳米结构构成，其与阴极和阳极皆不接触。并且在本发明的较佳实施方式中提出了九种利用一维纳米结构构造的电场极化增强结构的结构及相应的电场极化增强的放电电极的结构和制备方法。在使用本发明的电场极化增强的放电电极时，其中阴极、阳极和电场极化增强结构之间的间隙内充填气体或液体(放电气体或液体)，构成电场极化增强结构的一维纳米结构的至少一个端部与该放电气体或液体接触。施加电压于本发明的电场极化增强的放电电极的阴极和阳极，两者之间的气体或液体中将产生电场(可以称为背景电场)，于是电场极化增强结构中的一维纳米结构受到电场的极化而产生正、负电荷的分离。由于一维纳米结构的尖端效应，即便在很小的背景电场条件下，纳米结构中电荷分离所产生的电场强度也可以非常强。这 样，在电场极化增强结构与阳极和阴极之间，以及在电场极化增强结构内部每相邻的两个 一维纳米结构之间，就形成了 一电容结构。其中，放电气体或液体在电容的极板之间，极板 中的一边或者两边是一维纳米结构。由此所产生的高度不均匀的电场能够对电容内部的气 体或者液体分子产生很强的不均匀极化，有一定几率被纳米结构捕获发生非弹性碰撞，从 而成为亚稳态粒子。大量的亚稳态粒子在电场极化增强结构周围区域产生，能够通过分步 电离、直接电离或者潘宁过程等机制影响气体放电过程，使得电荷分离过程在更低的电压 之下实现。由此可见，本发明的电场极化增强的放电电极的电场极化增强结构不与阳极和阴 极相接触且不构成放电回路的一部分，因此电场极化增强结构中的一维纳米结构的各种对 放电的有益效果可以在不作为电极的情况下实现，这样就避免了各种电极上的等离子体过 程对其造成的损害。当然，当等离子体密度很高的高电导情况下，电场极化增强结构倾向 于作为电极参与放电，此时，本发明的优势在于，扩大了一维纳米结构对气体放电产生有益 影响的空间范围。因此，本发明的电场极化增强的放电电极通过将由一维纳米结构构成的 电场极化增强结构设置在阴极与阳极之间的区域，通过两极之间的电场使一维纳米结构极 化并由此产生不均匀电场，能够通过形成亚稳态粒子群降低产生等离子体所需要的工作电 压，并且有利于在高气压气体和液体中制造扩散性大范围等离子体，还能够避免传统技术 中由于气体放电或者液体放电过程中各种辐射和粒子轰击效应对电极上设置的纳米结构 的损害，由此有利于维持一维纳米结构有益效果的稳定性并延长使用寿命。此外，还能利用 某些一维纳米阵列结构的疏水特性对液态样本进行等离子体激发和化学检测。以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以 充分地了解本发明的目的、特征和效果。
图1是本发明的电场极化增强的放电电极在第一个实施例中的结构示意图；图2是本发明的电场极化增强的放电电极在第二个实施例中的结构示意图；图3是本发明的电场极化增强的放电电极在第三个实施例中的结构示意图；图4是图3中的电场极化增强结构的第一种结构的结构截面图，显示了其中的一 维纳米结构；图5是图3中的电场极化增强结构的第二种结构的结构截面图，显示了其中的一 维纳米结构；图6是图3中的电场极化增强结构的第三种结构的结构截面图，显示了其中的一 维纳米结构；图7是本发明的电场极化增强的放电电极在第四个实施例中的结构示意图；图8是图7中的电场极化增强结构的第一种结构的结构截面图，显示了其中的一 维纳米结构；图9是图7中的电场极化增强结构的第二种结构的结构截面图，显示了其中的一 维纳米结构；图10是图7中的电场极化增强结构的第三种结构的结构截面图，显示了其中的一维纳米结构；图11图12一维纳米结构图13一维纳米结构图14一维纳米结构图15图16一维纳米结构图17一维纳米结构图18一维纳米结构图19图20一维纳米结构图21一维纳米结构图22一维纳米结构图23一维纳米结构。
具体实施例方式第一个实施例图I给出了本发明的电场极化增强的放电电极在第一个实施例中的结构示意图，在本实施例中，本发明的电场极化增强的放电电极包括阳极101、阴极102和两者之间的电场极化增强结构103。其中，电场极化增强结构103是单个的一维纳米结构。阳极101、阴极102和电场极化增强结构103皆设置在支撑结构104上，阳极101和阴极102之间具有间隙；电场极化增强结构103与阳极101和阴极102皆不接触，阳极101与电场极化增强结构103之间为第一间距，阴极102与电场极化增强结构103之间为第二间距。第一间距和第二间距的大小可以根据使用需求设定。本实施例中，阳极101和阴极102皆为单个的金属电极；支撑结构104是玻璃基片；电场极化增强结构103的一维纳米结构是单个金属性的高电导率多壁碳纳米管，其平行于作为支撑结构104的玻璃基片，两个端部分别与阳极101和阴极102对准。可以使用微细加工方法制备本实施例中的电场极化增强的放电电极，具体步骤包括在作为支撑结构104的玻璃基片上形成电极层，电极层为50nm厚度的铬及其上的
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是本发明的电场极化增强的放电电极在第五个实施例中的结构示意图；是图11中的电场极化增强结构的第一种结构的结构截面图，显示了其中的
是图11中的电场极化增强结构的第二种结构的结构截面图，显示了其中的
是图11中的电场极化增强结构的第三种结构的结构截面图，显示了其中的
是本发明的电场极化增强的放电电极在第六个实施例中的结构示意图；是图15中的电场极化增强结构的第一种结构的结构截面图，显示了其中的
是图15中的电场极化增强结构的第二种结构的结构截面图，显示了其中的
是图15中的电场极化增强结构的第三种结构的结构截面图，显示了其中的
是本发明的电场极化增强的放电电极在第七个实施例中的结构示意图；是图19中的电场极化增强结构的第一种结构的结构截面图，显示了其中的
是图19中的电场极化增强结构的第二种结构的结构截面图，显示了其中的
是图19中的电场极化增强结构的第三种结构的结构截面图，显示了其中的
是图19中的电场极化增强结构的第四种结构的结构截面图，显示了其300nm厚度的铜；通过光刻和刻蚀工艺在作为支撑结构104的玻璃基片上形成阳极101和阴极102，并控制各部分结构的相对位置，本实施例中的阳极101和电场极化增强结构103之间的第一间距为10微米，阴极102和电场极化增强结构103之间的第二间距为10微米。使用本实施例中的电场极化增强的放电电极时，在其中阳极101和阴极102之间的间隙内填充氩气。这样，电场极化增强结构103(即金属性的高电导率多壁碳纳米管)两个端部皆暴露在间隙内的氩气中，其余的部分也可以暴露于氩气中。通过对阳极101和阴极102施加电压，电场极化增强的放电电极开始工作，阳极101和阴极102之间出现电势降，进而在间隙内的氩气中形成静电场，碳纳米管的的两个端部受到电场极化的作用而发生电荷分离，正、负电荷集中分布于其两个端部的尖端区域。当电场强度大于放电起始电压，空气发生放电。由于本实施例中的一维纳米结构的电场增强作用，本实施例中的电场极化增强的放电电极的气体放电电压比不具有电场极化增强结构的现有技术的放电电极的情况降低4倍。第二个实施例图2给出了本发明的电场极化增强的放电电极在第二个实施例中的结构示意图，在本实施例中本发明的电场极化增强的放电电极包括阳极201、阴极和两者之间的电场极化增强结构203。其中，电场极化增强结构203是多个一维纳米结构的排列。阳极201、阴极和电场极化增强结构203皆设置在支撑结构204上；电场极化增强结构203与阳极201和阴极皆不接触，阳极201与电场极化增强结构203之间具有第一间隙，阴极与电场极化增强结构203之间具有第二间隙。第一间隙和第二间隙的大小可以根据使用需求设定。本实施例中，阳极201为单个的金属电极；阴极为多个如阴极单元202的阴极单元的排列，各阴极单元皆为金属电极，其中每个阴极单元的表面皆具有第二一维纳米结构作为第二纳米修饰结构，如阴极单元202的表面的第二纳米修饰结构205 ;第二一维纳米结构与电场极化增强结构中的一维纳米结构可以相同也可以不同，本实施例中为碳纳米管；支撑结构204是玻璃基片；电场极化增强结构203中的一维纳米结构是半导体氧化锌纳米棒，其垂直于支撑结构204的玻璃基片，其一个端部与该玻璃基片接触。可以使用微细加工方法制备本实施例中的电场极化增强的放电电极，具体步骤包括在作为支撑结构204的玻璃基片上形成电极层，电极层为50nm厚度的磁控溅射铬及其上的15微米的电镀黄铜；而后通过光刻和刻蚀工艺在作为支撑结构204的玻璃基片上形成阳极201和阴极，并控制各部分结构的大小及相对位置。本实施例中，阳极201为10微米宽、I毫米长的铬/金金属条；如阴极单元202的各阴极单元为10微米宽、I毫米长的铬/金金属条，其间距为100微米；通过丝网印刷方法在如阴极单元203的各阴极单元的表面形成碳纳米管的如第二纳米修饰结构205的各第二纳米修饰结构；通过水热化学方法沉积半导体氧化锌纳米棒形成电场极化增强结构203，电场极化增强结构203即半导体氧化锌纳米棒的沉积区域，其长、宽各皆4毫米，其中的半导体氧化锌纳米棒的高度为10微米、直径为50纳米。使用本实施例中的电场极化增强的放电电极时，其中阳极201和电场极化增强结构203之间的第一间隙以及阴极和电场极化增强结构203之间的第二间隙内填充着常压空气。这样，电场极化增强结构203的各氧化锌纳米棒的另一个端部皆暴露在间隙内的空气中，其余的部分也可以暴露于空气中。通过对阳极201和阴极施加电压，电场极化增强的放
7电电极开始工作。空气中的中性粒子被不均匀电场极化，并以一定几率被碳纳米管的第二电极修饰结构捕获，发生非弹性碰撞，并产生亚稳态粒子群。此外，碰撞过程以一定几率将氧分子和氮分子变为氧原子和氮原子，气体化学活性大大提高。利用Andor公司的DHT334i系列像增强电容耦合元件照相机(ICCD)和Shamlock系列光谱仪对该结构放电特性进行检测，发现了氧气原子和氮气原子的复合发射谱线，证明了本发明所描述的技术方案在提高等离子体化学活性方面的重要应用前景。第三个实施例图3-6给出了本发明的电场极化增强的放电电极在第三个实施例中的结构示意图以及其中的电场极化增强结构的三种结构的结构截面示意图，在本实施例中本发明的电场极化增强的放电电极包括阳极、阴极302和两者之间的电场极化增强结构303。其中，电场极化增强结构303是多个的一维纳米结构的排列。阳极、阴极302和电场极化增强结构303皆设置在支撑结构304上；电场极化增强结构303与阳极和阴极302皆不接触，阳极与电场极化增强结构303之间具有第一间隙，阴极302与电场极化增强结构303之间具有第二间隙。第一间隙和第二间隙的大小可以根据使用需求设定。本实施例中，阳极为多个如阳极单元301的阳极单元的排列，各阳极单元皆为金属电极，其中每个阳极单元的表面皆具有第一一维纳米结构作为第一纳米修饰结构，如阳
极单元301的表面的第一纳米修饰结构304 ;第--维纳米结构与电场极化增强结构中的
一维纳米结构可以相同也可以不同，在本实施例中为碳纳米管；阴极302为单个的金属电极；支撑结构304是硅基片，覆盖有I微米厚度的氮化硅绝缘层；电场极化增强结构303中的一维纳米结构是绝缘材料的纳米棒，本实施例中采用的是SU-8光刻胶的纳米棒，其表面覆盖有导电材料的薄膜、纳米颗粒或比其小的一维纳米结构，分别如图4-6所示，其垂直于支撑结构304的娃基片,其一个端部与支撑结构304接触。如图4所示，作为一维纳米结构的SU-8光刻胶的纳米棒313的表面覆盖有导电材料的薄膜，其中导电材料的薄膜为铬薄膜317。如图5所示，作为一维纳米结构的SU-8光刻胶的纳米棒323的表面覆盖半导体材料的纳米颗粒327，其中纳米颗粒327为氧化锌纳米颗粒。如图6所示，作为一维纳米结构的在SU-8光刻胶的纳米棒333的表面覆盖比SU-8光刻胶的纳米棒333小的一维纳米结构337 (即一维纳米结构337比SU-8光刻胶的纳米棒333更短更细)，其中一维纳米结构337为氧化锌纳米棒。可以使用微细加工方法制备本实施例中的电场极化增强的放电电极，具体步骤包括在支撑结构304上形成电极层，例如50nm厚度的磁控溅射的铬及其上的2微米的电镀黄铜；而后通过光刻和刻蚀工艺在支撑结构304上形成阳极和阴极302，并控制各部分结构的大小及相对位置。本实施例中，如阳极单元302的各阳极单元为50微米宽、2毫米长的铬/金金属条，其呈辐射状展开；阴极302为半径350微米宽的铬/金金属条。通过化学气相沉积方法在如阳极单元301的各阳极单元的表面形成半导体性的碳纳米管阵列作为如第一纳米修饰结构305的各第一纳米修饰结构；使用纳米压印以及等离子体刻蚀制备SU-8光刻胶的纳米棒以形成电场极化增强结构303，SU-8光刻胶的纳米棒的高度为100纳米、直径为10纳米；在该SU-8光刻胶的纳米棒的表面覆盖导电材料的薄膜、纳米颗粒或更小的一维纳米结构，如厚度为I纳米的铬薄膜、直径为10纳米的氧化锌纳米颗粒或直径为I纳米、间距为3纳米的氧化锌纳米棒；阳极与电场极化增强结构303之间的第一间隙为3毫米，阴极302与电场极化增强结构303之间的第二间隙为3毫米。本实施例中的电场极化增强的放电电极构成了阳极柱喷流设备的等离子体发生单元。其中，使用图5所示的电场极化增强结构303的电场极化增强的放电电极可以在457V使气体发生电离，使用图6所示的电场极化增强结构303的电场极化增强的放电电极可以在435V使气体发生电离，使用图7所示的电场极化增强结构303的电场极化增强的放电电极可以在443V使气体发生电离。使用本实施例中的电场极化增强的放电电极构成的阳极柱喷流设备的等离子体发生单元能产生周期为100毫秒量级的正柱和放电电流脉冲，原子发射谱测量表明，有第二壳层电子退激产生的电磁辐射，说明该器件在等离子体处理领域的应用前景。第四个实施例图7-10给出了本发明的电场极化增强的放电电极在第四个实施例中的结构示意图以及其中的电场极化增强结构的三种结构的结构截面示意图，在本实施例中本发明的电场极化增强的放电电极包括阳极、阴极和两者之间的电场极化增强结构403。其中，电场极化增强结构403是多个一维纳米结构的排列。阳极、阴极和电场极化增强结构403皆设置在支撑结构404上；电场极化增强结构403与阳极和阴极皆不接触，阳极与电场极化增强结构403之间具有第一间隙，阴极与电场极化增强结构403之间具有第二间隙。第一间隙和第二间隙的大小可以根据使用需求设定。本实施例中，阳极为多个如阳极单元401的阳极单元的排列，各阳极单元皆为金属电极，其中每个阳极单元的表面皆具有第一一维纳米结构作为第一纳米修饰结构，如阳
极单元401的表面的第一纳米修饰结构405，第--维纳米结构与电场极化增强结构中的
一维纳米结构可以相同也可以不同；阴极为多个如阴极单元402的阴极单元的排列，各阴极单元皆为金属电极，其中每个阴极单元的表面皆具有第二一维纳米结构作为第二纳米修饰结构，如阴极单元401的表面的第二纳米修饰结构406，第二一维纳米结构与电场极化增
强结构中的一维纳米结构可以相同也可以不同；本实施例的第--维纳米结构和第二一维
纳米结构皆为氧化锌纳米棒的阵列；支撑结构404是硅基片，覆盖有2微米厚度的氮化硅绝缘层，且在氮化硅绝缘层之上、在如阳极单元401的各阳极单元和如阴极单元402的各阴极单元之下具有厚度为8微米的聚酰亚胺薄膜；电场极化增强结构403中的一维纳米结构是半导体材料的纳米棒，本实施例中采用的是氧化锌纳米棒，其表面覆盖有导体材料的薄膜、纳米颗粒或比所用的氧化锌纳米棒小的一维纳米结构，分别如图8-10所示，其垂直于支撑结构404的娃基片,其一个端部与支撑结构404接触。如图8所示，作为一维纳米结构的氧化锌纳米棒413的表面覆盖有导体材料的薄膜，其中导体材料的薄膜为铬薄膜417。如图9所示，作为一维纳米结构的氧化锌纳米棒423的表面覆盖导体材料的纳米颗粒427，其中纳米颗粒427为金纳米颗粒。如图10所示，作为一维纳米结构的氧化锌纳米棒433的表面覆盖比氧化锌纳米棒433小的一维纳米结构437 (即一维纳米结构437比氧化锌纳米棒433更短更细)，其中一维纳米结构437为氧化锌纳米棒。可以使用微细加工方法制备本实施例中的电场极化增强的放电电极，具体步骤包括在支撑结构404上形成电极层，电极层为IOOnm厚度的铬及其上的15微米的电镀红铜；而后通过光刻和刻蚀工艺在支撑结构404上形成阳极和阴极，并控制各部分结构的大小及
9相对位置。如阳极单元401的各阳极单元和如阴极单元402的各阴极单元的长度和宽度皆为800微米，阳极单元和阴极单元的数量皆为3个，相邻阳极单元之间的间距为600微米，相邻阴极单元之间的间距为I毫米；通过水热法在如阳极单元401的各阳极单元的表面和如阴极单元402的各阴极单元的表面制备并通过微加工方法图形化氧化锌纳米棒的阵列，其中的氧化锌纳米棒垂直于阳极及阴极的表面、高度为10微米、等效直径约为50纳米；利用相同方法生长的氧化锌纳米棒形成电场极化增强结构403，在该氧化锌纳米棒的表面覆盖导体材料的薄膜、纳米颗粒或更小的一维纳米结构，如厚度为3纳米的铬薄膜、直径为20纳米的金纳米颗粒或直径为5纳米、长度为100纳米的氧化锌纳米棒；阳极与电场极化增强结构403之间的第一间隙为100微米，阴极与电场极化增强结构403之间的第二间隙为100微米，阳极和阴极之间的距离为220微米。本实施例中的电场极化增强的放电电极构成可以对液态低电导率材料进行发射光谱检验的器件，通过在液体中的放电过程激发等离子体，每种采用图8、图9或者图10所示电场极化增强结构303的器件都能够产生与液态样本分子结构有关的发射谱，可以通过ICCD和光谱仪探测到，并可以用于甄别液态样本的成分。使用时，对使用图8所示的电场极化增强结构303的放电电极之间填充去离子水样本、人体血液样本和掺入2mmol/l浓度酒精的人体血液样本。对使用图9所示的电场极化增强结构303的放电电极之间填充去离子水、甲醇和丙酮，对使用图10所示的电场极化增强结构303的放电电极之间填充自来水、I mmol/1氯化铜水溶液和lmmol/1硫酸铁溶液。在放电电极上施加3. 5kV脉冲直流电压,脉宽 IOms0第五个实施例图11-14给出了本发明的电场极化增强的放电电极在第五个实施例中的结构示意图以及其中的电场极化增强结构的三种结构的结构截面示意图，在本实施例中，本发明的电场极化增强的放电电极包括阳极501、阴极502和两者之间的电场极化增强结构503。其中，电场极化增强结构503是多个一维纳米结构的阵列。阳极501、阴极502和电场极化增强结构503皆设置在支撑结构504上；电场极化增强结构503与阳极501和阴极502皆不接触，阳极501与电场极化增强结构503之间为具有第一间隙，阴极502与电场极化增强结构503之间具有第二间隙。第一间隙和第二间隙的大小可以根据使用需求设定。本实施例中，阳极501和阴极502皆为单个的金属电极；支撑结构504是玻璃基片；电场极化增强结构503中的一维纳米结构是半导体材料氧化锌纳米棒，其垂直于作为支撑结构504的玻璃基片，其一个端部与该玻璃基片接触，其表面覆盖有绝缘材料的薄膜、纳米颗粒或比所用的氧化锌纳米棒小的一维纳米结构，分别如图12-14所示。如图12所示，作为一维纳米结构的氧化锌纳米棒513的表面覆盖有绝缘材料的薄膜，其中绝缘材料的薄膜517为氧化铝薄膜。如图13所示，作为一维纳米结构的氧化锌纳米棒523的表面覆盖绝缘材料的纳米颗粒527，其中纳米颗粒527为聚氨酯纳米颗粒。如图14所示，作为一维纳米结构的氧化锌纳米棒533的表面覆盖比氧化锌纳米棒533小的一维纳米结构537 (即一维纳米结构537比氧化锌纳米棒533更短更细)，其中一维纳米结构537为SU-8纳米线；另外，氧化锌纳米棒533部分(包括其与支撑结构相接触的部分)掩埋在SU-8胶538中，以保护其不与气体或者等离子体直接接触。可以使用微细加工方法制备本实施例中的电场极化增强的放电电极，具体步骤包括在作为支撑结构504的玻璃基片上形成电极层，电极层为50nm厚度的铬及其上的300nm厚度的铜；通过光刻和刻蚀工艺在作为支撑结构504的玻璃基片上形成阳极501和阴极502，并控制各部分结构的相对位置。本实施例中，阳极501和电场极化增强结构503之间的第一间隙为400微米，阴极502和电场极化增强结构503之间的第二间隙为400微米，电场极化增强结构503的长度为I毫米、宽度为300微米(即氧化锌纳米棒的阵列的分布区域的长度为I毫米、宽度为300微米)，其中的氧化锌纳米棒的高度为15微米、直径为100纳米、间距为150纳米，在该氧化锌纳米棒的表面覆盖绝缘材料的薄膜、纳米颗粒或更小的一维纳米结构，如厚度为8纳米的氧化铝薄膜、直径为10纳米的聚氨酯纳米颗粒或通过纳米压印方法制备的SU-8纳米线，其平均直径为10纳米，平均高度为50纳米。 本实施例中的电场极化增强的放电电极构成了一种能够对雾化液态样本的流体进行光谱化学分析的器件结构，在工作中，在玻璃基片背面(无纳米结构的一面)设置半导体制冷片，使得基片表面温度比环境温度下降10摄氏度，环境温度为31摄氏度，将雾化后的液态样本以空气作为载气通过器件的表面，部分雾化液滴在极化增强结构504的表面发生凝露，形成微小的液滴，由于纳米结构形成疏水性表面，液滴为球形，并不会流入纳米结构尖端以下的区域。加载I. 5kV的电压，使得液滴在强极化和气体放电双重作用下发生碎裂，形成大量的激发态和亚稳态粒子，通过光谱分析，可以得到液体样本的丰富的分子键和原子发射谱线。第六个实施例图15-18给出了本发明的电场极化增强的放电电极在第六个实施例中的结构示意图以及其中的电场极化增强结构的三种结构的结构截面示意图，在本实施例中，本发明的电场极化增强的放电电极包括阳极601、阴极602和两者之间的电场极化增强结构603。其中，电场极化增强结构603是多个一维纳米结构的阵列。阳极601、阴极602和电场极化增强结构603皆设置在支撑结构604上；电场极化增强结构603与阳极601和阴极602皆不接触，阳极601与电场极化增强结构603之间具有第一间隙，阴极602与电场极化增强结构603之间具有第二间隙。第一间隙和第二间隙的大小可以根据使用需求设定。本实施例中，阳极601和阴极602皆为单个的金属电极，阳极601的表面具有第
--维纳米结构作为第一纳米修饰结构605，第--维纳米结构与电场极化增强结构603
中的一维纳米结构可以相同也可以不同，阴极602的表面具有第二一维纳米结构作为第二纳米修饰结构606，第二一维纳米结构与电场极化增强结构603中的一维纳米结构可以相
同也可以不同，本实施例中的第--维纳米结构和第二一维纳米结构皆为氧化锌纳米棒；
支撑结构604是玻璃基片；电场极化增强结构603中的一维纳米结构是半导体材料氧化锌纳米棒，其垂直于作为支撑结构504的玻璃基片，其一个端部与该玻璃基片接触，其表面覆盖有绝缘材料的薄膜，并在该绝缘材料的薄膜上覆盖有导体材料的薄膜、纳米颗粒或比所用的氧化锌纳米棒小的一维纳米结构，分别如图16-18所示。如图16所示，作为一维纳米结构的氧化锌纳米棒613的表面覆盖有绝缘材料的薄膜617，绝缘材料的薄膜617的表面覆盖有导体材料的薄膜618，其中绝缘材料的薄膜617为氧化铝薄膜，导体材料的薄膜618为铬薄膜。如图17所示，作为一维纳米结构的氧化锌纳米棒623的表面覆盖绝缘材料的薄膜627，绝缘材料的薄膜627的表面覆盖有导体材料的纳米颗粒628，其中绝缘材料的薄膜627为氧化铝薄膜，导体材料的纳米颗粒628为金纳米颗粒。如图18所示，作为一维纳米结构的氧化锌纳米棒633的表面覆盖绝缘材料的薄膜637，绝缘材料的薄膜637的表面覆盖有比氧化锌纳米棒633小的导体材料的一维纳米结构638 (即一维纳米结构638比氧化锌纳米棒633更短更细)，其中绝缘材料的薄膜637为氧化铝薄膜，导体材料的一维纳米结构638为氧化锌纳米棒，该氧化锌纳米棒表面覆盖有铬薄膜639。可以使用微细加工方法制备本实施例中的电场极化增强的放电电极，具体步骤包括在作为支撑结构604的玻璃基片上形成电极层，电极层为50nm厚度的铬及其上的300nm厚度的铜；通过光刻和刻蚀工艺在作为支撑结构604的玻璃基片上形成阳极601和阴极602，并控制各部分结构的相对位置，其中，阳极601和阴极602表面的氧化锌纳米棒为阵列，其中的氧化锌纳米棒高度为15微米、直径为50纳米、间距为300纳米，阳极601和电场极化增强结构603之间的第一间距为400微米，阴极602和电场极化增强结构603之间的第二间距为400微米；电场极化增强结构603的长度为I毫米、宽度为300微米(即氧化锌纳米棒的阵列的分布区域的长度为I毫米、宽度为300微米)，氧化锌纳米棒的高度为15微米、直径为50纳米、间距为300纳米，在该氧化锌纳米棒的表面覆盖厚度为5纳米的氧化铝薄膜，并在该氧化铝薄膜的表面覆盖厚度为10纳米的铬薄膜、直径为50纳米的金纳米颗粒或直径为10纳米、长度为100纳米且表面覆盖有厚度为5纳米的铬薄膜的氧化锌纳米棒。本实施例中的电场极化增强的放电电极构成了一种能够对雾化液态样本的流体进行光谱化学分析的器件结构。与上一个实施例相比，本实施例中的结构能够进一步减小工作电压，工作电压下降达23. 44%。第七个实施例图19-23给出了本发明的电场极化增强的放电电极在第七个实施例中的结构示意图以及其中的电场极化增强结构的四种结构的截面示意图，在本实施例中，本发明的电场极化增强的放电电极包括阳极701、阴极702和两者之间的电场极化增强结构703。其中，电场极化增强结构703是多个一维纳米结构的阵列。阳极701、阴极702和电场极化增强结构703皆设置在支撑结构704上；电场极化增强结构703与阳极701和阴极702皆不接触，阳极701与电场极化增强结构703之间具有第一间隙，阴极702与电场极化增强结构703之间具有第二间隙。第一间隙和第二间隙的大小可以根据使用需求设定。本实施例中，阳极701和阴极702皆为单个的金属电极，阳极701的朝向电场极
化增强结构703的表面具有第--维纳米结构作为第一纳米修饰结构705，第--维纳米
结构与电场极化增强结构703中的一维纳米结构可以相同也可以不同，阴极702的表面具有第二一维纳米结构作为第二纳米修饰结构706，第二一维纳米结构与电场极化增强结构
703中的一维纳米结构可以相同也可以不同，本实施例中的第--维纳米结构和第二一维
纳米结构皆为单晶硅纳米针。支撑结构704包括基座40、支撑柱41-43、支撑筒44和数控电动平移台45。其中，支撑柱41-43皆为聚四氟乙烯棒，用以固定阳极701的支撑柱41和用以固定阴极702的支撑柱42的直径皆为18毫米、长度皆为100毫米，支撑柱43的直径为18毫米、长度为150毫米；支撑筒44的材料是石英，电场极化增强结构703设置在其内壁上；支撑筒44通过支撑柱43固定在数控电动平移台45上；基座40上设置有导轨，数控电动平移台45可以在伺
12服电机的控制下在该导轨上移动，从而改变阳极701与电场极化增强结构703之间的第一间隙以及阴极702与电场极化增强结构703之间的第二间隙的大小。电场极化增强结构703中的一维纳米结构设置于支撑筒44的内壁，其一个端部与内壁接触，该一维纳米结构是半导体材料的氧化锌纳米棒，其表面覆盖有导体材料的薄膜并在该导体材料的薄膜的表面具有比所用的氧化锌纳米棒小的一维纳米结构或绝缘材料的薄膜，或者其表面覆盖有导体材料的纳米颗粒以及比所用的氧化锌纳米棒小的一维纳米结构；或者一维纳米结构是导体材料的金纳米棒，其另一个端部覆盖有绝缘材料的薄膜并在该绝缘材料的薄膜的表面覆盖有半导体材料的薄膜。分别如图20-23所示。如图20所示，作为一维纳米结构的氧化锌纳米棒713的表面覆盖有导体材料的薄膜717，导体材料的薄膜717的表面覆盖有比氧化锌纳米棒713小的一维纳米结构718 (即一维纳米结构718比氧化锌纳米棒713更短更细)，其中导体材料的薄膜717为铬薄膜，比氧化锌纳米棒713小的一维纳米结构718为半导体材料的氧化锌纳米棒。如图21所示，作为一维纳米结构的氧化锌纳米棒723的表面覆盖导体材料的纳米颗粒727以及比氧化锌纳米棒713小的一维纳米结构728 (即一维纳米结构728比氧化锌纳米棒713更短更细)，其中导体材料的纳米颗粒727为铬纳米颗粒，比氧化锌纳米棒713小的一维纳米结构728为半导体材料的氧化锌纳米棒。如图22所示，作为一维纳米结构的氧化锌纳米棒733的表面覆盖有导体材料的薄膜737，导体材料的薄膜737的表面覆盖有绝缘材料的薄膜738，其中导体材料的薄膜737为铬薄膜，绝缘材料的薄膜738为氧化铝薄膜。如图23所示，作为一维纳米结构的金纳米棒743的不与支撑筒44的内壁接触的一个端部的表面覆盖有绝缘材料的薄膜747，绝缘材料的薄膜747的表面覆盖有半导体材料的薄膜748，其中绝缘材料的薄膜747为氧化镁薄膜，半导体材料的薄膜748为氧化锌薄膜；另外，金纳米棒743部分(包括其与支撑筒44的内壁相接触的部分)掩埋在氧化铝多孔膜749中，以保护其不与气体或者等离子体直接接触。可以使用微细加工方法制备本实施例中的电场极化增强的放电电极，具体步骤包括在两个直径为101毫米的硅晶片的表面覆盖厚度为I微米的铜薄膜分别作为阳极701和阴极702 ;通过电化学刻蚀方法在阳极701和阴极702的硅晶片的表面形成单晶硅纳米针阵列结构，作为阳极701和阴极702的第一纳米修饰结构705和第二纳米修饰结构706。对于图20所示的电场极化增强结构703，支撑筒44的内壁形成氧化锌纳米棒713的阵列，其中的氧化锌纳米棒713的平均高度为5微米、直径为20纳米、纳米棒的间距为250纳米。在氧化锌纳米棒713表面覆盖5纳米厚度的铬薄膜717，在铬薄膜717的表而覆盖直径为10纳米、长度为200纳米的氧化锌纳米棒718。对于图21所示的电场极化增强结构703，支撑筒44的内壁形成氧化锌纳米棒723的阵列，其中的氧化锌纳米棒723的平均高度为5微米、直径为20纳米、纳米棒的间距为250纳米。在氧化锌纳米棒723表面覆盖直径为10纳米的铬纳米颗粒727以及直径为10纳米、长度为200纳米的氧化锌纳米棒728。对于图22所示的电场极化增强结构703，支撑筒44的内壁形成氧化锌纳米棒733的阵列，其中的氧化锌纳米棒733的平均高度为15微米、平均直径为200纳米、纳米棒的间距为350纳米。在氧化锌纳米棒733表面覆盖10纳米厚度的铬薄膜737，在铬薄膜737的表面覆盖5纳米厚度的氧化铝薄膜738。对于图23所示的电场极化增强结构703，支撑筒44的内壁形成金纳米棒743的阵列，其中的金纳米棒743的平均高度为10微米、平均直径为140纳米、纳米棒的间距为400纳米。在金纳米棒743的不与支撑筒44的内壁接触的一个端部的表面覆盖I纳米厚度的氧化镁薄膜747，在氧化镁薄膜747的表面覆盖I纳米厚度的氧化锌薄膜748。将使用了图20、21的电场极化增强结构703的本实施例中的电场极化增强的放电电极置于真空腔内部，并使阳极701与电场极化增强结构703之间的第一间隙以及阴极702与电场极化增强结构703之间的第二间隙内填充ImBar真空度的氩气，由此其构成了一个由一维纳米结构极化增强的氩等离子体干法刻蚀装置，通过调整气压和气体成分，用于微电子加工技术领域。所形成的等离子体具有活性基团浓度高、功耗低的特点，就此实施例而言，比较没有极化增强结构的情况，根据理论计算，等离子体中的活性基团浓度提高约74. 21%，功耗降低约13倍。将使用了图22、23的电场极化增强结构703的本实施例中的电场极化增强的放电电极置于一个气体导流装置中，使得间隙中有流速为I. 2米/秒的氨气与氮气的混合气，由此其构成了一个等离子体表面处理装置，根据实验测量，由于极化增强结构的作用，氨基活性基团的含量大大提高，从而能够大大改善某些有机材料之间的表面接触情况，可以应用于成骨损伤的添补手术中。此外，通过调整放电参数和电极结构，在等离子体化学、等离子体医学等相关领域还能有更多的应用。以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术人员无需创造性劳动就可以根据本发明的构思做出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域的技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。
权利要求
1.一种电场极化增强的放电电极，包括阴极和阳极，其特征在于，所述阴极和所述阳极之间设置有电场极化增强结构，所述电场极化增强结构由一维纳米结构构成，所述电场极化增强结构与所述阴极和所述阳极皆不接触。
2.如权利要求I所述的电场极化增强的放电电极，其中所述电场极化增强结构是单个的所述一维纳米结构或多个所述一维纳米结构的排列。
3.如权利要求2所述的电场极化增强的放电电极，其中所述一维纳米结构是半导体材料的纳米带、纳米线、纳米棒、纳米针或纳米管。
4.如权利要求3所述的电场极化增强的放电电极，其中所述一维纳米结构的表面覆盖有导体材料的薄膜、纳米颗粒或比所述一维纳米结构小的一维纳米结构；或者所述一维纳米结构的表面覆盖有绝缘材料的薄膜、纳米颗粒或比所述一维纳米结构小的一维纳米结构；或者所述一维纳米结构的表面覆盖有绝缘材料的薄膜，所述绝缘材料的薄膜的表面覆盖有导电材料的薄膜、纳米颗粒或比所述一维纳米结构小的一维纳米结构；或者所述一维纳米结构的表面覆盖有半导体材料的薄膜或纳米颗粒，所述半导体材料的薄膜或纳米颗粒的表面覆盖有半导体材料的比所述一维纳米结构小的一维纳米结构；或者所述一维纳米结构的表面覆盖有导体材料的薄膜，所述导体材料的薄膜的表面覆盖有绝缘材料的薄膜。
5.如权利要求2所述的电场极化增强的放电电极，其中所述一维纳米结构是导体材料的纳米带、纳米线、纳米棒、纳米针或纳米管。
6.如权利要求5所述的电场极化增强的放电电极，其中所述一维纳米结构的一个端部的表面覆盖有半导体材料的薄膜，所述半导体材料的薄膜的表面覆盖有半导体材料的薄膜；或者所述一维纳米结构的一个端部的表面覆盖有绝缘材料的薄膜。
7.如权利要求2所述的电场极化增强的放电电极，其中所述一维纳米结构是绝缘材料的纳米带、纳米线、纳米棒、纳米针或纳米管，且所述一维纳米结构的表面覆盖有导体或半导体材料的薄膜、纳米颗粒或比所述一维纳米结构小的一维纳米结构。
8.如权利要求2所述的电场极化增强的放电电极，所述阳极的表面具有第一一维纳米结构，所述第一一维纳米结构与所述一维纳米结构相同或不同。
9.如权利要求2或8所述的电场极化增强的放电电极，所述其中所述阴极的表面具有第二一维纳米结构，所述第二一维纳米结构与所述一维纳米结构相同或不同。
10.如权利要求I或2所述的电场极化增强的放电电极，其中所述阴极、所述阳极和所述电场极化增强结构设置在支撑结构上，所述阳极到所述电场极化增强结构之间的距离以及所述阴极到所述电场极化增强结构之间的距离皆可调。
全文摘要
本发明公开了一种电场极化增强的放电电极，用于产生等离子体，其包括阴极、阳极和两者之间的电场极化增强结构。其中电场极化增强结构由单个的一维纳米结构或多个一维纳米结构的排列构成，其与阴极和阳极皆不接触。本发明还提出了九种利用一维纳米结构构造的电场极化增强结构的结构，并提供了相应的电场极化增强的放电电极的结构和制备方法。本发明通过将由一维纳米结构构成的电场极化增强结构设置在阴极与阳极之间的区域，可降低产生等离子体所需要的工作电压，并且能够避免传统技术中由于气体放电或者液体放电过程中各种辐射和粒子轰击效应对一维纳米结构的损害，由此有利于维持一维纳米结构有益效果的稳定性并延长使用寿命。
文档编号H05H1/24GK102933015SQ20121046465
公开日2013年2月13日 申请日期2012年11月16日 优先权日2012年11月16日
发明者李 杰, 黄奕翔 申请人:上海交通大学